Hur nanoexplosiver kan hjälpa till att lösa ett av astrofysikens största mysterier

Ett av den moderna astrofysikens stora mysterier är mörk materias natur. Detta är det mystiska som astrofysiker säger måste existera för att tillhandahålla de gravitationskrafter som krävs för att hålla ihop galaxer.

Den allmänna konsensus är att det finns ungefär fem gånger så mycket mörk materia som synlig materia i universum. Och detta väcker uppenbara frågor: vad är det här och hur kan vi upptäcka det?

Dessa frågor har utlöst en allsmäktig kapplöpning bland fysiker att upptäcka mörk materia och mäta dess egenskaper. Men resultaten av deras experiment är förbryllande och motsägelsefulla. Vissa laboratorier påstår sig ha upptäckt grejerna medan andra verkar utesluta möjligheten.

Vad som behövs är naturligtvis mer data från ett större utbud av detektorer. Och idag föreslår Alejandro Lopez-Suarez vid University of Michigan i Ann Arbor och några kompisar en ny idé. De hoppas kunna upptäcka mörk materia genom effekten den har på sprängämnen.

Deras plan är att skapa små explosiva partiklar som är känsliga nog att detonera när de träffas av en klump av mörk materia. Efter att ha gjort detta sitter fysikerna sedan tillbaka och väntar på det efterföljande fyrverkeriet.

Nyckelteknologin bakom denna plan är utvecklingen av granulat av termitmaterial som exploderar när de kommer i kontakt med ett oxidationsmedel. Ingenjörer har länge använt granulat i mikronskala men på senare år har de börjat utveckla granulat i nanostorlek också.

De inblandade materialen är relativt enkla. Nanopartiklarna kan vara gjorda av en metall som aluminium eller ytterbium och oxidationsmedlet kan vara något så enkelt som järnoxid.

Med tillräckligt med energi för att sätta igång reaktionen värms metallen upp och reagerar för att bilda en metalloxid. När en [partikel av mörk materia] träffar metallskiktet kan metallen värmas upp tillräckligt för att övervinna den kemiska energibarriären mellan metallen och metalloxiden, säger Lopez-Suarez och co. En explosion resulterar.

Utformningen av en sådan detektor är också relativt enkel. Den består av ett stort antal celler som är isolerade från varandra. Varje cell består av en oxiderande gel i vilken metallnanopartiklar är inbäddade.

En full detektor skulle behöva många celler, kanske 10^14 av dem, för att skapa en målröra på säg ett kilogram eller så. Fysikerna kan se vad som händer genom att lyssna efter explosionerna när de inträffar.

Denna design har ett antal fördelar jämfört med strömdetektorer. Den första är att det är relativt lätt att skilja mörk materia partiklar från bakgrundsljud som skapas av till exempel joniserande strålning.

När en partikel av mörk materia träffar en nanopartikel värms den upp och utlöser en mikroexplosion. Detta värmer upp andra nanopartiklar i närheten och orsakar en kedjereaktion som sprider sig genom cellen. Resultatet är att en enda cell i detektorn exploderar.

Däremot skulle joniserande strålning, som en alfapartikel, passera genom många celler och få dem alla att explodera. Så signaturen för en enskild cell som exploderar kan lätt särskiljas från spåren som skapas av bakgrundsljud.

En annan fördel är att denna kedjereaktionsmekanism förstärker signalen från en enda mörk materia partikel vilket gör det lättare att upptäcka. Och den har också en låg energitröskel som gör att även relativt ljusa mörka partiklar kan detekteras.

En viktig fråga är förstås om en sådan detektor skulle fungera. Lopez-Suarez och co har gått igenom siffrorna och kommit fram till att nanopartiklar av aluminium eller ytterbium inbäddade i en oxiderande gel och hållit temperaturen på flytande väte borde göra susen ganska bra.

Det är en intressant idé. Nästa steg skulle vara att börja testa dessa material för att se hur de kan kombineras till en prototypdetektor. Ett intressant problem för denna grupp är hur man tillverkar en sådan detektor på jordens yta där bakgrundsljudet från joniserande strålning sannolikt är högt.

Många experiment med mörk materia är inhysta i djupa underjordiska gruvor av just denna anledning. Den här nya kan också behöva förvaras under jord och förmodligen tillverkas där också.

Det finns ett stort intresse för tillfället för nya typer av mörk materiadetektorer. Förra året tittade vi på en design som involverade en DNA-spårningskammare som ser partiklar av mörk materia genom effekten de har på enstaka DNA-strängar.

Detta är ett annat lika innovativt tillvägagångssätt. Det ska bli intressant att se om någon av dem ser dagens ljus (så att säga hosta).

Ref: http://arxiv.org/abs/1403.8115 : Nya mörkermateriadetektorer som använder nanoskala sprängämnen

Dölj